高中物理鲁科版 (2019)必修 第二册第5节 科学验证:机械能守恒定律说课ppt课件

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1.知道什么是机械能,理解物体动能和势能的相互转化。2.理解机械能守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性。3.能用机械能守恒定律分析生活和生产中的有关问题。
【必备知识】一、机械能1.概念:物体具有的动能与重力势能(弹性势能)之和。2.表达式:E=Ep+Ek。
1.推导:(1)如图所示,如果小球只在重力作用下自由下落。从A到B的过程中重力做功为WG,根据动能定理可知,由重力做功与重力势能变化的关系可知,WG=mgh1-mgh2这表明:物体只有重力做功时,动能和重力势能可以相互转化,而物体的总机械能保持不变。
(2)同样可以证明,在只有弹力做功的物体系统内,动能和弹性势能可相互转化,总的机械能保持不变。2.内容:在只有重力或弹力这类力做功的情况下,物体系统的动能与势能相互转化,机械能的总量保持不变。3.表达式:Ek1+Ep1=Ek2+Ep2,即初状态的机械能等于末状态的机械能。4.守恒条件:只有重力或系统内弹力做功。
【自我检测】正误辨析1.机械能只包括动能和重力势能。(　　)答案 ×2.物体在运动过程中,除受重力外还受其他力作用,其机械能一定不守恒。(　　)解析 若其他力不做功,只有重力或弹力做功,机械能守恒。答案 ×
3.物体在运动过程中机械能守恒时,物体只有在始末位置的机械能不变。(　　)解析 物体在运动过程中机械能守恒时,物体在任意两个位置时的机械能都不变。答案 ×4.合力做功为零,物体的机械能一定守恒。(　　)解析 合力做功为零,物体的机械能不一定守恒,如物体沿斜面匀速下滑时,物体的机械能就减少。答案 ×
5.物体在运动过程中机械能守恒时,若其动能减小,则势能一定增加。(　　)答案 √6.气球在空中匀速上升过程中机械能守恒。(　　)答案 ×
【情境导引】如图所示为生活中的三种场景。(1)物体、运动员、小球的动能和势能的变化情况如何?(2)物体、运动员、小球所受力的做功情况如何?(3)三种情景中哪些物体的机械能守恒?
要点提示 (1)物体的动能增大,重力势能减小;运动员的动能、重力势能增大;小球的重力势能减小,动能先增大后减小。(2)物体的重力做正功,支持力不做功;运动员的重力做负功,弹力做正功;小球的重力做正功,弹力做负功。(3)物体的机械能守恒;运动员的机械能不守恒,但运动员和撑竿的机械能守恒;小球的机械能不守恒,但弹簧和小球的机械能守恒。
【知识点拨】1.对机械能守恒条件的理解(1)从能量特点看:系统只有动能和势能相互转化,无其他形式的能相互转化,则系统机械能守恒。(2)从做功特点看:①只受重力(或弹簧弹力)作用且做功,如做抛体运动的物体。②除重力(或弹簧弹力)外,还受其他力的作用,但其他力不做功,只有重力(或弹簧弹力)做功。③除重力(或弹簧弹力)做功外,受到的其他力做功,但其他力做功的代数和为零。
2.判断机械能是否守恒的方法(1)机械能定义判断法:分析动能与势能之和是否变化。(2)做功条件分析法:若物体系统内只有重力或弹力做功,则系统的机械能守恒。(3)能量转化分析法:若系统内物体间只有动能和重力势能或弹性势能的相互转化,系统跟外界没有发生机械能的传递,机械能也没有转变成其他形式的能(如没有内能增加),则系统的机械能守恒。画龙点睛 1.“守恒”是一个动态概念,指在动能和势能相互转化的整个过程中的任何时刻、任何位置,系统的机械能总量总保持不变。2.机械能守恒的条件不是合力做的功等于零,也不是合力等于零。
【实例引导】例1 如图所示,下列关于机械能是否守恒的判断正确的是(　　)A.甲图中,物体A将弹簧压缩的过程中,A的机械能守恒B.乙图中,A置于光滑水平面,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机械能守恒C.丙图中,不计任何阻力时A加速下落、B加速上升过程中,A、B机械能守恒D.丁图中,系在橡皮条一端的小球向下摆动时,小球的机械能守恒
解析 甲图中重力和弹力做功,物体A和弹簧组成的系统机械能守恒,但物体A机械能不守恒,选项A错误。乙图中物体B除受重力外,还受弹力,弹力对B做负功,B机械能不守恒,但从能量特点看A、B组成的系统机械能守恒,选项B错误。丙图中绳子张力对A做负功,对B做正功,代数和为零,A、B机械能守恒,选项C正确。丁图中小球的重力势能转化为小球的动能和橡皮条的弹性势能,小球的机械能不守恒,选项D错误。答案 C
规律方法 判断机械能是否守恒应注意的问题1.合外力为零是物体处于平衡状态的条件。物体受到的合外力为零时,它一定处于匀速直线运动状态或静止状态,但它的机械能不一定守恒。2.合外力做功为零是物体动能守恒的条件。合外力对物体不做功,它的动能一定不变,但它的机械能不一定守恒。3.只有重力做功或系统内弹力做功才是机械能守恒的条件。
变式训练1(多选)下列叙述正确的是(　　)A.做匀速直线运动的物体的机械能一定守恒B.做变速直线运动的物体的机械能可能守恒C.合外力对物体做功为零,物体的机械能一定守恒D.系统内只有重力或弹力做功时,系统的机械能一定守恒解析 做匀速直线运动的物体所受合力为零,动能不变,但重力势能可能改变,A错误;做变速直线运动的物体,若只有重力对它做功时,机械能守恒,B正确;合外力对物体做功为零时,除重力之外的力有可能做功,此时机械能不一定守恒,C错误;系统内只有重力或弹力做功时,系统的机械能守恒,D正确。答案 BD
【情境导引】如图所示,在同一高度处,将同一小球分别以相同大小的速度抛出,忽略空气阻力,这几种情况小球落地时速度大小相等吗?要点提示 尽管这几种情况小球的运动情况不同,但是只有重力做功,小球的机械能守恒,根据机械能守恒定律可知,小球落地时速度大小相等。
【知识点拨】1.机械能守恒定律的常见表达式(1)守恒式:Ek1+Ep1=Ek2+Ep2,即初状态的动能与势能之和等于末状态的动能和势能之和,用此式必须选择零势能面。(2)转化式:ΔEk=-ΔEp或ΔEp=-ΔEk,即动能(或势能)的增加量等于势能(或动能)的减少量,使用此式不必选择零势能面。(3)增量式:ΔEA=-ΔEB,即由A、B物体组成的系统机械能守恒时,A物体机械能的增加量等于B物体机械能的减少量,用此式不必选择零势能面。
2.应用机械能守恒定律解题的步骤
【实例引导】例2 以10 m/s的速度将质量为m的物体从地面上竖直向上抛出,若忽略空气阻力,g取10 m/s2,则:(1)物体上升的最大高度是多少?(2)上升过程中在何处重力势能与动能相等?
答案 (1)5 m　(2)2.5 m
变式训练2下图为一跳台的示意图。假设运动员从雪道的最高处A点由静止开始滑下,不借助其他器械,沿光滑雪道到达跳台的B点时速度多大?当他落到离B点竖直高度为10 m的雪地C点时,速度又是多大?(设这一过程中运动员没有做其他动作,忽略摩擦和空气阻力,g取10 m/s2)
解析 取B点所在水平面为零势能面。由题意知A点到B点的高度差h1=4 m,B点到C点的高度差h2=10 m从A点到B点的过程由机械能守恒定律得从B点到C点的过程由机械能守恒定律得
例3 质量分别为3 kg和5 kg的小物体A、B,用轻绳连接跨在一个光滑定滑轮两侧,A物体与地面接触,B物体距地面0.8 m,放开B物体,求当B物体着地时A物体的速度大小。(g取10 m/s2)
规律方法 由两个物体和轻杆(或轻绳)组成的系统,若没有摩擦力和阻力做功时,运动过程中只有重力势能、动能之间的相互转化,系统满足机械能守恒定律。处理这类问题的方法:(1)找到两物体的速度关系,从而确定系统动能的变化。(2)找到两物体上升或下降的高度关系,从而确定系统重力势能的变化。(3)按照系统动能的变化等于重力势能的变化列方程求解。
变式训练3(2021河北卷)一半径为R的圆柱体水平固定,横截面如图所示。长度为πR、不可伸长的轻细绳,一端固定在圆柱体最高点P处,另一端系一个小球。小球位于P点右侧同一水平高度的Q点时,绳刚好拉直。将小球从Q点由静止释放,当与圆柱体未接触部分的细绳竖直时,小球的速度大小为(重力加速度为g,不计空气阻力)(　　)
1.如图所示,一光滑斜面体置于光滑水平地面上,其上有一物体由静止沿斜面下滑,在物体下滑过程中,下列说法正确的是(　　)A.物体的重力势能减少,动能增加B.斜面体的机械能不变C.斜面体对物体的作用力垂直于接触面,不对物体做功D.物体的重力势能不变,动能增加解析 物体加速下滑,动能增加,重力势能减少,A正确,D错误。物体对斜面体的压力对斜面做正功,故斜面体的支持力对物体做负功,故B、C错误。答案 A
2.(多选)下列物体机械能守恒的是(　　)A.做竖直上抛运动的物体B.被匀速吊起的集装箱C.光滑固定斜面上自由运动的物体D.物体以 g的加速度竖直向上做匀减速运动